一種低散熱摩託車發動機的製備方法與流程

2023-05-23 03:26:21 1

本發明涉及摩託車發動機表面處理技術領域，具體是涉及一種低散熱摩託車發動機的製備方法。

背景技術：

低散熱發動機一直是摩託車發動機行業研究的熱點，低散熱技術是屬於多學科領域的高新技術，其中的難點之一在於發動機製備技術和使用材料的選擇。發動機是摩託車的心臟，摩託車的發展與發動機的進步息息相關。隨著社會日趨進步，摩託車發動機必須面對低碳排放和節能減油的挑戰，因此低散熱發動機是未來發展的趨勢。目前，發動機的發展方向主要朝著高功率、高轉速、低油耗、低排放量發展，發動機效率的逐步提升以及隨著發動機熱負荷的增加，隨之而來的負面影響也在增多，如燃燒室最大爆發壓力過大，導致工作溫度超過材料承受能力，產生燒熔、蠕變、熱疲勞和變形等。基於現有的發展趨勢，兼顧能源的有效利用和發動機性能的提高，在摩託車發動機的熱端部件表面製備隔熱塗層有望解決這一發展瓶頸問題。

從上世紀80年代以來，低散熱摩託車發動機的概念引起了廣泛的關注，它是以優質的隔熱材料製造熱端部件的一種新型發動機，當採用耐熱性好、導熱性低、膨脹係數低的陶瓷材料塗覆於摩託車熱端部件形成隔熱塗層時可提高發動機的燃燒效率並減少散熱損失。摩託車發動機核心部件主要包括活塞、汽缸蓋、汽缸體。活塞作為發動機極其重要部件之一，隔熱塗層的製備影響著發動機效率、油耗、噪聲、排放、壽命等，摩託車發動機在正常工作狀況下，活塞頭部直接承受高溫燃氣的衝擊，瞬間溫度可到1800℃，但作用於活塞表面溫度分布不均勻，由於冷熱不均勻所產生的熱應力容易使活塞頂表面開裂，目前活塞所用材料為鋁合金，溫度過高時其機械強度和硬度下降較快，當在活塞頂表面塗覆有陶瓷隔熱塗層時，由於隔熱塗層具有良好的隔熱性能，能夠很好的降低金屬活塞的服役溫度、減少燃燒做功的熱量流失，同時也可避免機油燒結現象的發生。發動機汽缸蓋一般為鑄鐵材料，其在發動機中服役環境僅受高溫燃氣衝擊作用，為降低汽缸蓋向外界散熱，可在其燃氣接觸面製備隔熱塗層。汽缸體亦為鑄鐵材料，工作時，活塞在其圓柱形內腔表面高速來回滑動做功，由於汽缸體內表面需要較低的摩擦係數，不適宜製備隔熱塗層，因此可在其圓柱體外表面製備隔熱塗層，起到隔熱效果。

作為摩託車發動機用熱端部件所用隔熱塗層材料必須具有低熱導率、高耐熱性和抗腐蝕性等。為了實現這些功能目標，經過長期研究實驗發現7%wt.y2o3-zro2(7ysz)材料綜合性能最好，它具有非常優異的物理和化學穩定性，熱導率低(緻密條件下熱導率為2.3w/mk(100℃))、抗熱震性好。已知7ysz的膨脹係數為1.1×10-5/k，鋁合金的膨脹係數為1.8×10-5/k，鑄鐵的膨脹係數為1.6×10-5/k，隔熱塗層材料與發動機基體材料存在膨脹係數的差別，因此可使用mcralx合金材料作為過渡層(也稱粘結層)，mcralx合金材料中其組元可以依據使用情況(工況，成本等)進行調整，合金組元中m包括ni、co或ni+co，它們是合金材料的基礎元素，co的抗腐蝕性優於ni，但其抗氧化性不如ni，ni+co的組合有利於塗層整體抗腐蝕、耐氧化性能的提高，一般co的含量控制在20-26wt.%。合金中cr是用於保證塗層的抗腐蝕性，它的存在可以促進al2o3的生成。al是用於提高粘結層的抗氧化性，一般al的含量控制在5-12wt.%，由於al、cr的存在會使塗層的韌性降低，因此為了保證粘結層的抗熱震性，al和cr的含量應保證粘結層抗氧化、耐腐蝕性能的情況下儘可能地降低。此外，為了進一步改善粘結層的抗熱震性，在組元中可加入活性元素x如微量的稀土元素y、ta、hf，其可提高熱生長層與基體的結合強度，另外組元還可也加入其它合金化元素如si、zr等。

現有低散熱摩託車隔熱塗層中，存在幾個問題：一是，現有低散熱發動機重點著眼於純陶瓷部件的製備，純陶瓷部件存在熱震性能差、成本高等缺點，較難滿足批量化生產；二是，部分低散熱發動機在製備隔熱塗層時，由於技術所限僅僅是對發動機中活塞進行隔熱塗層塗覆，沒有對汽缸蓋、汽缸體進行同時塗覆，因此發動機隔熱效果有限；三是，現有技術對活塞進行隔熱塗層塗覆時，塗層材料選擇不合理，且製備方法不恰當如製備mcralx合金材料作為過渡層時，合金塗層氧化較為嚴重，導致服役過程中陶瓷層易於剝落。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述存在問題和不足，提供一種成本低、高隔熱、抗氧化、耐腐蝕、長壽命的低散熱摩託車發動機的製備方法。

本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明所述的低散熱摩託車發動機的製備方法，其特點是包括以下步驟：

1）對摩託車發動機的活塞頂表面、汽缸蓋內表面和汽缸體外表面進行粘結層噴塗：其中，

在活塞頂表面和汽缸蓋內表面採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在50～100μm，噴塗參數為：航空煤油流量700～900l/min，氧氣流量600～850l/min，送粉量25～40g/min，噴塗距離140～160mm；

在汽缸體外表面採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在50～100μm，且噴塗設備為laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流500～550a,氬氣流量40～55slpm,氫氣流量3～6slpm，送粉量20～35g/min；

2）噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面和汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為：電流600～680a,氬氣流量40～55slpm,氫氣流量7～12slpm，送粉量15～30g/min；其中，

活塞頂表面噴塗的7ysz陶瓷層厚度控制在80～120μm，且噴塗設備為直嘴等離子噴槍；

汽缸蓋內表面噴塗的7ysz陶瓷層厚度控制在150～200μm，汽缸體外表面噴塗的7ysz陶瓷層厚度控制在250～300μm，且噴塗設備為laval嘴等離子噴槍。

為了進一步提高塗層的結合強度，在進行上述步驟1）之前，先將摩託車發動機的活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，然後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，再用40號剛玉砂礫對噴塗區域在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用乾燥高壓空氣清洗去除殘餘砂礫。其中，噴塗區域是指活塞頂表面、汽缸蓋內表面和汽缸體外表面。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

本發明通過陶瓷材料與金屬材料複合，集合兩種材料的優點，避免了現有技術著眼於製備純陶瓷發動機部件的缺點，即本發明是在發動機熱端部件的表面製備有既隔熱又耐用的隔熱塗層，該隔熱塗層包括陶瓷層和粘結層，其中陶瓷層為低熱導、高熔點材料，主要用於抗高溫、耐腐蝕和抗燃氣衝刷等；粘結層為抗高溫氧化金屬合金材料，主要用於高溫抗氧化保護基體，以及作為過渡層降低陶瓷層與基體之間的熱不匹配性。摩託車發動機中活塞、汽缸蓋、汽缸體對隔熱塗層性能的要求不盡相同。活塞作為發動機中服役環境最為苛刻的熱端部件，它面臨著高溫燃氣衝擊、高速循環運動以及頂表面受熱不均所帶來的應力，因此隔熱塗層中粘結層材料採用低溫超音速火焰噴塗的nicocralyta合金，避免了合金材料的氧化，另外，由於該材料中摻雜有y、ta稀土元素，具有良好的抗高溫氧化性能。另外，活塞在製備陶瓷層過程中採用直嘴等離子噴槍，儘管陶瓷層孔隙率較laval噴嘴所製備的塗層低，隔熱性能偏低，但直嘴噴塗的陶瓷層內聚力高、結合強度高，此技術選擇適合活塞服役工況。汽缸蓋作為直接接觸高溫燃氣衝擊，其粘結層材料選為低溫超音速火焰噴塗的nicocralyta合金，由於該部件為非運動部件，對陶瓷層的結合強度要求不高，因此在製備陶瓷層過程中採用laval嘴等離子噴槍製備多孔陶瓷塗層以儘可能提高塗層的隔熱溫度。汽缸體的內表面由於低摩擦係數的要求，不適宜做隔熱塗層，因此在其外表面製備隔熱塗層以提高其隔熱性能，由於汽缸體隔熱塗層服役環境不苛刻，這對隔熱塗層的結合強度要求較低，因此為了降低成本，粘結層選用laval噴嘴的大氣等離子噴槍噴塗nicral塗層，陶瓷層採用laval噴嘴的大氣等離子噴槍噴塗7ysz塗層，噴塗完汽缸體後，通過鑲嵌鑄造的方式與發動機組裝成一體。

具體實施方式

實施例1：

先將摩託車發動機的活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，清洗完後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，用40號剛玉砂礫對噴塗區域在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用高壓空氣吹除殘餘砂礫；然後對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行粘結層噴塗，其中在活塞頂表面和汽缸蓋內表面是採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在50μm，噴塗參數為：航空煤油流量700l/min，氧氣流量600l/min，送粉量25g/min，噴塗距離140mm；在圓柱形汽缸體外表面是採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在50μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流500a,氬氣流量40slpm，氫氣流量3slpm，送粉量20g/min；噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為：電流600a,氬氣流量40slpm,氫氣流量7slpm，送粉量15g/min，其中活塞頂表面的陶瓷層厚度控制在80μm，且噴塗時是使用直嘴等離子噴槍；汽缸蓋內表面和汽缸體外表面的陶瓷層厚度分別控制在150μm和250μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍。

實施例2：

先將摩託車發動機的活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，清洗完後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，用40號剛玉砂礫對噴塗區域在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用高壓空氣吹除殘餘砂礫；然後對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行粘結層噴塗，其中在活塞頂表面和汽缸蓋內表面是採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在100μm，噴塗參數為：航空煤油流量900l/min，氧氣流量850l/min，送粉量40g/min，噴塗距離160mm；在圓柱形汽缸體外表面是採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在100μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流550a,氬氣流量55slpm，氫氣流量6slpm，送粉量35g/min；噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為：電流680a,氬氣流量55slpm,氫氣流量12slpm，送粉量30g/min，其中活塞頂表面的陶瓷層厚度控制在120μm，且噴塗時是使用直嘴等離子噴槍；汽缸蓋內表面和汽缸體外表面的陶瓷層厚度分別控制在200μm和300μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍。

實施例3：

先將摩託車發動機的活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，清洗完後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，用40號剛玉砂礫對噴塗區在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用高壓空氣吹除殘餘砂礫；然後對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行粘結層噴塗，其中在活塞頂表面和汽缸蓋內表面是採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在60μm，噴塗參數為：航空煤油流量800l/min，氧氣流量650l/min，送粉量30g/min，噴塗距離150mm；在圓柱形汽缸體外表面是採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在60μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流525a,氬氣流量45slpm，氫氣流量4slpm，送粉量25g/min；噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為：電流650a,氬氣流量45slpm,氫氣流量10slpm，送粉量20g/min，其中活塞頂表面的陶瓷層厚度控制在90μm，且噴塗時是使用直嘴等離子噴槍，汽缸蓋內表面和汽缸體外表面的陶瓷層厚度分別控制在160μm和260μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍。

實施例4：

先將摩託車發動機中活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，清洗完後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，用40號剛玉砂礫對噴塗區在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用高壓空氣吹除殘餘砂礫；然後對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行粘結層噴塗，其中在活塞頂表面和汽缸蓋內表面是採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在70μm，噴塗參數為：航空煤油流量900l/min，氧氣流量600l/min，送粉量25g/min，噴塗距離150mm；在圓柱形汽缸體外表面是採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在70μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流500a,氬氣流量55slpm，氫氣流量6slpm，送粉量20g/min；噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為：電流680a,氬氣流量45slpm,氫氣流量12slpm，送粉量30g/min，其中活塞頂表面的陶瓷層厚度控制在100μm，且噴塗時是使用直嘴等離子噴槍，汽缸蓋內表面和汽缸體外表面的陶瓷層厚度分別控制在170μm和270μm，噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍。

實施例5：

先將摩託車發動機中活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，清洗完後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，用40號剛玉砂礫對噴塗區在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用高壓空氣吹除殘餘砂礫；然後對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行粘結層噴塗，其中在活塞頂表面和汽缸蓋內表面是採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在80μm，噴塗參數為：航空煤油流量700l/min，氧氣流量850l/min，送粉量40g/min，噴塗距離155mm；在圓柱形汽缸體外表面是採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在80μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流550a,氬氣流量50slpm，氫氣流量5slpm，送粉量30g/min；噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為：電流650a,氬氣流量50slpm,氫氣流量10slpm，送粉量25g/min，其中活塞頂表面的陶瓷層厚度控制在100μm，且噴塗時是使用直嘴等離子噴槍，汽缸蓋內表面和汽缸體外表面的陶瓷層厚度分別控制在180μm和280μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍。

實施例6：

先將摩託車發動機中活塞、汽缸蓋、汽缸體依次用汽油和酒精進行超聲清洗，清洗完後對非噴塗區域用高溫膠布黏貼保護，用40號剛玉砂礫對噴塗區在0.3mpa氣壓下噴砂處理，並用高壓空氣吹除殘餘砂礫；然後對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行粘結層噴塗，其中在活塞頂表面和汽缸蓋內表面是採用低溫超音速火焰噴塗nicocralyta粘結層，厚度控制在90μm，噴塗參數為：航空煤油流量780l/min，氧氣流量800l/min，送粉量35g/min，噴塗距離150mm；在圓柱形汽缸體外表面是採用大氣等離子噴塗nicral粘結層，厚度控制在90μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍，噴塗參數為：電流550a,氬氣流量45slpm，氫氣流量5slpm，送粉量30g/min；噴塗完粘結層後，採用大氣等離子噴塗對活塞頂表面、汽缸蓋內表面、汽缸體外表面進行7ysz陶瓷層噴塗，噴塗參數為，電流680a,氬氣流量45slpm,氫氣流量10slpm，送粉量25g/min，其中活塞頂表面的陶瓷層厚度控制在100μm，且噴塗時是使用直嘴等離子噴槍，汽缸蓋內表面和汽缸體外表面的陶瓷層厚度分別控制在190μm和290μm，且噴塗時是使用laval嘴等離子噴槍。

本發明是通過實施例來描述的，但並不對本發明構成限制，參照本發明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對於本領域的專業人士是容易想到的，這樣的變化應該屬於本發明權利要求限定的範圍之內。